中国航天がロケット回収時代に突入、専門家が長十乙初飛行の見どころを解説

7月10日、またも中国宇宙開発の歴史的な瞬間が南シナ海で「上演」された。同日午前12時15分、長征十号乙型ロケット（以下、長十乙）が海南商業宇宙発射場から打ち上げられ、衛星を予定軌道に投入し、初飛行任務は完全成功を収めた。ロケットの1段と2段が分離してから6分後、1段は垂直に帰還し、発射場から300キロ以上離れた海上回収プラットフォームにネット捕獲方式で回収に成功、1段の回収任務も完全成功となった。

『環球時報』記者が入手した情報によると、今回の任務は我が国が初めて成功したロケット1段の制御可能回収であり、同時に世界初のロケットネット捕獲回収でもあり、長征十号乙型ロケットは我が国初の回収に成功した再使用ロケットとなった。これは我が国が再使用ロケット技術分野で歴史的な突破を遂げたことを示し、我が国の宇宙へのアクセス能力向上に強固な基盤を築くものである。中国宇宙開発はこれをもってロケット回収時代に突入した。

回収プロセスは一進一退の緊張

初飛行任務の前に、『環球時報』記者は起立状態の長十乙を間近で見る機会があった。約20階建ての高さの太い機体、7基の大推力エンジンを並列にした構成は、初回回収成功の難しさを際立たせている。

関係者によると、長十乙は中国航天科技集団有限公司傘下の中国運載火箭技術研究院（以下、火箭院）が全体を統括して開発した。このロケットの直径は5メートルで、2段直列構成を採用。芯1段は長征十号甲型ロケットの1段サブステージの状態を踏襲し、液体酸素・ケロシン推進剤を使用。芯2段は液体酸素・メタン推進剤を使用し、全機の離昇推力は約890トン、離昇重量は約760トン、初飛行機の全長は約63メートル、再使用状態での低軌道ペイロード能力は16トンである。

「直径5メートルは現在の大型ロケットの主流設計であり、より大型の推力エンジンとより多くの推進剤を収容でき、大ペイロード需要を支える」と、火箭院のロケット技術専門家である闞鎛氏は『環球時報』記者の取材に述べた。長十乙は低軌道衛星インターネットコンステレーションの展開、大型商業衛星の打ち上げなど、様々な任務の需要を満たし、再使用状態では打ち上げコストを大幅に削減でき、大ペイロードと高コストパフォーマンスの利点を持つという。

初飛行任務では、長十乙は点火後、連続的に上昇して3000秒飛行した。闞鎛氏の説明によると、上昇飛行段階では、ロケットの1段7基の液体酸素・ケロシンエンジンが加速飛行を完了し、1段と2段が分離した後、2段の1基の液体酸素・メタンエンジンが引き継いで動作し、1回の飛行、滑空姿勢変更、2回目の点火などの段階を経て、衛星を予定軌道に正確に投入し、同時に機体の不動化処理を完了した。

帰還着陸段階は今回の打ち上げ任務の中核的な検証内容である。『環球時報』記者が入手した情報によると、長十乙の1段は上昇約150秒後に2段と分離した後、高度100キロメートル以上から降下を開始し、音速の数倍の状態で帰還飛行段階に入る。

「帰還プロセスは、滑空姿勢変更段階、動力減速段階、空力減速段階、着陸段階の4つの段階を経ます」と、火箭院のロケット設計者である王聰氏は『環球時報』記者に説明した。滑空姿勢変更段階では、1段のグリッドフィンシステムが展開し、再突入時の姿勢調整を実行する。また、推進剤沈底管理システムも同時に作動し、タンク内の推進剤を底部に沈殿集中させ、後のエンジン点火に備える。動力減速段階では、1段のエンジンが再度点火し、1段が濃密な大気圏に入る前にブレーキをかけて速度を落とし、大気圏突入後の熱流などの悪影響による機体破損を防ぐ。その後、1段は空力減速段階に入る。これは防熱設計の重要な検証段階である。空力減速段階では、ロケットはグリッドフィンによる空力抵抗で減速飛行し、1段の機体底部は厳しい空力加熱と空力荷重の試練に耐える。最後に、1段は着陸段階に入る。この段階では「準ホバリング」の制御戦略を採用し、1段のあらゆる制御手段が使用され、機体のグリッドフィンとロケットエンジンが協調して制御を行い、オンライン軌道計画により最適制御シーケンスを取得し、1段の高度と速度を相対的に「0」の状態に制御し、最終的に海上回収プラットフォームでネット捕獲方式により回収に成功する。

7月10日の初飛行任務では、長十乙は打ち上げから約8分後、1段が海上回収プラットフォームに正確に捕獲された。このプロセスはまさに一進一退の緊張感に満ちていた。現地の記者は、長十乙の開発に参加した多くの中国宇宙関係者が1段が安定して着地するリアルタイム映像を見て涙を流したのを目撃した。中国宇宙開発はついに成功回収という歴史的な瞬間を迎え、中国は世界で2番目にロケット垂直回収技術を習得した国となった。

世界初のネット捕獲回収

現在、世界のほとんどの再使用ロケットは着陸脚回収方式を採用している。長十乙の開発チームは独創的に、海上プラットフォームネット捕獲回収技術を考案した。これは世界に大規模ロケット回収の中国案を提供し、東洋の知恵を示している。

7月10日、長十乙の1段が「天から降りてくる」とき、南シナ海には「領航者」号と名付けられたロケットネット捕獲回収海上プラットフォームがすでに待機していた。全長144メートル、幅50メートル、喫水5.5メートル、満載排水量2万5000トンのこの巨船は、DP2動力測位能力を備え、自身の推力装置で風波流などの環境外乱に抵抗し、所定の位置や針路を維持できる。これはネット捕獲回収装置などの製品と組み合わさり、広大な海原で安定した正確な移動着陸場となる。

「長十乙の1段が海上プラットフォームのネット装置上空に到達した後、徐々に減速し、ネット装置は滑車で駆動されるロープを介して1段を接続します。1段機体上の航法・測位システムはリアルタイムで速度と位置情報を取得し、制御システムに伝達して、機体の姿勢と速度を適時に調整します。同時に、海上プラットフォームのネット回収装置は機体の状態をリアルタイムで監視し、地上制御システムを介してロープの動きを制御します」と、火箭院の技術専門家である孫振蓮氏は説明する。このプロセスは、ロケットと海上回収プラットフォームが正確な「双方向の駆け引き」を行い、両者が協調して1段の正確なネットインを実現するものだと評した。

そして、1段機体がネット装置に入った後、機体上の掛索機構が事前に展開され、その後、4本の「井」字型ロープと接触する。孫振蓮氏はさらに、機体はゆっくりと下降し、正確に捕獲されると述べた。プロセス全体は非常に短時間で、機体、ロープ、掛索機構の緊密な連携が必要である。瞬間的な荷重は掛索機構に大きな課題をもたらし、ネット接触、滑走、牽引の過程で、掛索機構は複雑な荷重に耐えなければならない。「掛索機構は強力な手のようにロケットをしっかりと掴み、その後、海上プラットフォームのネット装置の作用により、ロケットは緩衝減速する。」

機体を捕獲した後、海上プラットフォームの回収システムはさらに機体を固定する必要がある。「波浪や海風などの環境の影響で、機体はネットプラットフォーム内で揺れる可能性があります。回収システムは2段階で機体を安定させます。まず、補助安定ロープが四方から機体を仮固定します。その後、自動ロックプラットフォームが機体の下方に移動し、クランプロック支持を完了します。ロケットにシートベルトを装着するようなもので、海上でも安定して固定され、これでロケットは完全に安定します」と孫振蓮氏は述べた。

ネット回収には独自の利点がある。火箭院の技術専門家である陳牧野氏は、現在の主流回収方式と比較して、ネット回収はロケットの着陸指標に対してより親和的であると説明する。「ネット回収はロケット上の構造を簡素化するのに役立ち、ロケットに複雑な着陸脚を装備する必要がなく、機体重量を軽減し、ペイロード能力と効率を向上させます。また、この回収方式はロケットの着地点偏差に対する適応能力が強く、ネットの協調により捕獲ウィンドウを『拡大』できます。ネット回収システムはシリーズ化設計により、異なる規模のロケットの回収需要に適応することも可能です」と陳牧野氏は述べた。

関係者によると、今後、長征十号乙型ロケットの開発チームはロケットの性能を継続的に最適化し、再使用ロケット技術の反復進化を加速し、年内に1段サブステージの再使用飛行を完了する見込みである。

我が国の宇宙輸送新体系の構築

商業宇宙、衛星インターネット、深宇宙探査などが「十五五」綱要に盛り込まれた背景の中、我が国の宇宙輸送システムが再使用技術分野で達成した大きな突破の意義は非常に大きい。

「再使用可能ロケットの技術成熟度と産業化レベルは、我が国の宇宙へのアクセス能力とコストを直接決定します」と闞鎛氏は述べる。需要側の観点から言えば、現在、我が国では複数の巨大衛星インターネットコンステレーションが実質的な打ち上げ段階に入っている。「このようなコンステレーションの打ち上げ需要は膨大で、爆発的な増加傾向にあり、かつ打ち上げ時間枠が高度に集中し、打ち上げ頻度が高いという特徴があります。これにより、従来の使い捨てロケットはコストと生産能力の面で『制約』がますます顕著になり、現在の短期間・高頻度のコンステレーション構築打ち上げ需要に追いつくのが難しくなっています。」

同氏はさらに、今回の長十乙の初飛行成功と回収が我が国の商業宇宙発展にもたらす意義は、低コスト・大ペイロードの再使用ロケット技術を突破し、国内のこの分野の空白を埋めたことであり、将来的に商業打ち上げコストを大幅に削減し、我が国の商業宇宙の国際市場での競争力を高めることにあると述べた。「将来、長十乙は低軌道衛星コンステレーション構築やその他の商業打ち上げ任務を担い、低軌道衛星インターネット、中軌道通信衛星などの大規模コンステレーション需要を支えます。」

関係者によると、将来、長十乙は回収された長十甲ロケットの1段サブステージを利用して打ち上げ任務を実行することも可能であり、これにより長十甲ロケットの有人任務の飛行データが蓄積され、信頼性がさらに向上する。長十甲型ロケットは我が国の新世代近地球有人ロケットとして、主に低軌道の有人および貨物任務を担い、長征二号F型ロケットと長征七号型ロケットの「集大成アップグレード版」と称される。将来、宇宙飛行士の地球と宇宙ステーション間の往復の「命の梯子」となる。

また、長十乙の直径5メートルをベースに、我が国ではより大規模な液体酸素・メタン1段サブステージを開発しており、長征十号乙型ロケットの2段サブステージの液体酸素・メタンモジュールと組み合わせて、全液体酸素・メタンの長征十号丙型ロケットを開発中である。王聰氏は、このロケットは主力商業ロケットとして位置づけられ、ペイロード能力がより強く、様々な商業打ち上げ任務の需要にさらに応えられると述べた。「現在、長征十号丙型ロケットは整然と開発が進められており、将来、我が国の宇宙輸送産業化の発展を力強く推進するでしょう。」

「今回の長征十号乙型ロケットの飛行試験の完全成功は、大きな画期的意義を持ちます」と闞鎛氏は述べた。一方で、長征十号甲型ロケットの全断面飛行検証として、我が国の新世代有人ロケットの開発プロセスを力強く推進する。他方、我が国初の回収成功ロケットとして、我が国のロケットが正式に再使用の新時代に入ったことを示し、我が国の再使用ロケットの常時打ち上げ能力の形成を大幅に加速する。さらに、今回の試験は液体酸素・メタンエンジンの機能性能を検証し、長征十号丙型ロケットの关键技术攻关に強固な支援を提供した。

出典：環球時報

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